《自然·通訊》蘇州納米所李連輝/張珽：皮膚—水凝膠共生界面實現長期高保真電生理監測

可穿戴電生理監測設備被視作解讀人體“電語言”的關鍵技術，在健康管理和疾病預警方面潛力巨大。然而，如何構建一個既柔軟舒適、又能長期穩定工作的電極-皮膚界面，長期以來是該領域面臨的核心瓶頸。傳統水凝膠電極雖具備優異的離子導電性，卻普遍受困于水分流失、透氣性差以及運動時界面滑動等問題，不僅導致信號質量隨時間急劇下降，還會因堵塞毛孔引發皮膚不適，嚴重制約了其在日常和醫療場景中的可靠應用。

針對上述關鍵問題，中國科學院蘇州納米所張珽研究員團隊構建了具有嵌入增強結構的透氣導電水凝膠網絡（BCHN），并提出“共生皮膚-水凝膠界面”概念。該材料將含NaCl的PVA水凝膠嵌入三維多孔PLA纖維骨架，在保留開放孔道的同時形成連續離子通路和豐富的親水吸附位點。BCHN電極彎曲剛度低至約10-10 N·m2，水蒸氣透過率達1.85 kg·m-2·day-1，離子電導率為1.43 S·m-1，1 kHz阻抗低至19.93 Ω。其通過“汗液捕獲-水分滲透-蒸發釋放”維持界面動態水合平衡，即使在20%相對濕度下仍可保持約55 Ω阻抗。基于此，BCHN電極可在運動、出汗和長期佩戴條件下穩定采集心電、肌電和腦電信號，連續使用30天后信噪比仍高于25 dB，并可用于認知狀態識別及駕駛疲勞定量評估。

該工作協同調控機械貼合、水分交換與離子傳輸，實現了透氣、保水與電學穩定性的兼顧，推動皮膚-電極界面由被動黏附向動態共生轉變，為長期電生理監測及智能健康應用提供了新思路。相關成果以 A Symbiotic Skin Hydrogel Interface Enabled by Flexible Hydrogel Network with Embedded Enhancement Structure 為題發表在 Nature Communications。文章第一作者為中國科學院蘇州納米所碩士研究生馬駿，李連輝副研究員和張珽研究員為共同通訊作者。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金和中國博士后科學基金的支持。

圖1. 透氣導電水凝膠網絡的結構設計與多功能特性

圖1展示了BCHN電極的結構設計及綜合性能。研究團隊將含NaCl的PVA水凝膠嵌入氧化PLA三維多孔纖維骨架中，使水凝膠沿纖維表面及交叉區域形成互穿網絡，在構建連續離子傳輸通路的同時保留水蒸氣通道。FTIR和XPS結果證實，PVA與氧化PLA之間形成氫鍵和鏈纏結，提高了界面穩定性。優化后，BCHN孔隙率約41%、孔徑約1～2 μm，水蒸氣透過率達到1.85 kg·m-2·day-1，14天水分損失僅約6%。當厚度約10 μm時，其彎曲剛度低至約10-10 N·m2，可緊密貼合皮膚微紋理并減少界面滑移，為長期穩定電生理監測提供基礎。

圖2. BCHN電極的離子傳輸與電學性能

圖2比較了多孔BCHN與非多孔水凝膠電極的離子傳輸性能。BCHN通過三維多孔骨架構建聚合物鏈段跳躍與液態離子擴散協同的連續水合通路，有效縮短離子遷移距離并提高導電效率。其在1 kHz下阻抗低至19.93 Ω，離子電導率達到1.43 S·m-1，同時顯著降低內部串聯電阻和界面電荷轉移電阻。在0.1 Hz至10 kHz范圍內，BCHN對輸入信號的相位延遲低于0.5°、幅值衰減低于0.1%，明顯優于非多孔電極。此外，其電荷注入容量達到0.535 mC·cm-2，并在1000次循環后保持穩定，體現出良好的長期電化學可靠性。

圖3. 共生皮膚-水凝膠界面的水分調控機制

圖3闡釋了BCHN電極與皮膚之間的動態水分交換及濕度自適應機制。嵌入式水凝膠網絡可吸收汗液和環境水分，多孔纖維骨架則促進水蒸氣排出，通過吸濕與蒸發的動態平衡維持界面水合和穩定離子傳導。隨著含水量由40%增至120%，其1 kHz阻抗由約1600 Ω降至35 Ω，并在約80%含水量后趨于穩定。靜息和運動狀態下，皮膚接觸阻抗均低于3 kΩ。僅添加7.5 wt%甘油，BCHN即可在20%～80%相對濕度范圍內保持穩定的重量和阻抗，體現出良好的界面微環境自調節能力。

圖4. BCHN電極的心電與肌電監測性能

圖4展示了BCHN電極的心電和肌電監測性能。其可穩定記錄清晰的P–QRS–T波，平均心電幅值約1.95 mV，信號波動和基線漂移均較低；連續佩戴30天后，信噪比仍高于25 dB，明顯優于商業電極。肌電測試中，BCHN同樣表現出更低的背景噪聲，出汗后信噪比仍約為28 dB，噪聲功率低于1×10-3 mV2。上述結果表明，BCHN憑借良好的透氣性和皮膚共形能力，可在運動、出汗及長期佩戴條件下保持穩定的電生理信號質量，并具有良好的生物相容性。

圖5. 腦電監測與認知狀態識別

圖5展示了BCHN電極在腦電采集和認知狀態識別中的應用。研究團隊將BCHN電極與絲網印刷電路、藍牙模塊集成，構建了額葉FP1/FP2雙通道無線腦電系統，可實時傳輸并分析腦電信號。該系統能夠清晰區分δ、θ、α、β和γ頻段，并穩定識別靜息、工作和放松狀態下的腦電節律變化：工作時α功率降低近60%、β活動增強，放松后α節律恢復。相比商業電極，BCHN具有更低的長期信號漂移，額葉α不對稱性波動保持在±0.2以內，體現出穩定的認知狀態監測能力。

圖6. 長時間駕駛疲勞監測與定量評估

圖6展示了BCHN電極在真實道路駕駛疲勞監測中的應用。研究團隊連續5小時采集額葉FP1和FP2腦電信號，穩定識別清醒、輕度疲勞、音樂干預和重度疲勞等階段。通過分析θ/α、θ/β、α/β及（θ+α）/β等指標，并結合主觀量表和行為測試，實現了駕駛疲勞的定量評估。隨著疲勞加深，θ活動增強、α活動減弱，相關疲勞指標持續升高；音樂干預可使部分指標改善約10%～15%。綜合疲勞評分在駕駛約3小時后超過60，表明BCHN電極可在運動、出汗和振動條件下穩定追蹤神經狀態變化，為駕駛疲勞監測和智能預警提供可靠支撐。

來源：中國科學院蘇州納米所